本發(fā)明涉及電催化材料，具體的說是一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法。

背景技術(shù)：

1、能源危機(jī)和環(huán)境問題迫使人們尋找清潔可再生的替代能源，而氫氣具有能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、燃燒產(chǎn)物無污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的替代能源。相較于傳統(tǒng)的制氫方式，電解水制氫是一種簡單、高效、環(huán)保的制氫方式，利用電能將水分解為氫氣和氧氣，產(chǎn)物便于分離。目前電解水制備氫氣的方法有析氫反應(yīng)(her)和析氧反應(yīng)(oer)，鉑（pt）基電催化劑是析氫反應(yīng)的基準(zhǔn)催化劑，但由于其稀缺性和高價格而受限。貴金屬ir/ru基材料是析氧反應(yīng)的基準(zhǔn)催化劑，但oer催化劑iro2的過電位約為300-400mv，仍未達(dá)到理想oer催化劑的活性。不僅如此，目前的研究主要集中在開發(fā)用于her或oer的單功能催化劑上，這意味著需要設(shè)計(jì)兩種不同類型的催化劑來實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，增加了電解設(shè)備的復(fù)雜性。因此，我們需要探索豐富的具有優(yōu)異電催化性能和優(yōu)越經(jīng)濟(jì)效益的過渡金屬基雙功能催化劑，以實(shí)現(xiàn)高性能生產(chǎn)h2和o2的整體水分解。

2、目前研究制備的催化劑大多是粉體，需要通過粘結(jié)劑附著在陰陽極上，不僅會降低其導(dǎo)電性，而且在催化過程中容易出現(xiàn)脫落的情況。而自支撐電極由于催化劑在其表面原位生長，具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，且形貌可控。通常制備自支撐催化劑常見的方法有水熱法、電沉積法等，這些方法所需能耗較大，通常需要在密閉的環(huán)境中反應(yīng)，距實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的目標(biāo)還有很長一段路要走，因此亟需尋找一種能耗小、工藝簡單、反應(yīng)可控的方法。本發(fā)明目的通過設(shè)計(jì)簡單的工藝條件合成制備適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的催化劑，并通過改變催化劑的形貌提高催化劑的親水疏氣性能，加快反應(yīng)過程中的氣液交換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)簡單的工藝條件合成制備適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的催化劑，并通過改變催化劑的結(jié)構(gòu)特性提高催化劑的親水疏氣性能，加快反應(yīng)過程中的氣液交換。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的具體方案為：

3、一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，以泡沫鎳為基體，在其表面原位生長有陣列排布的呈納米棒狀結(jié)構(gòu)的磷化鐵/磷化鈷鎳；

4、磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的工業(yè)生產(chǎn)方法主要包括如下步驟：

5、步驟一、清洗泡沫鎳

6、步驟二、制備氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體

7、將鈷源、鐵源、氟化銨和尿素按照(3-5):1:6:30的摩爾比加入去離子水中，攪拌，得到溶液a，將步驟一清洗后的泡沫鎳置于溶液a中，于60-90℃的水浴溫度下水浴數(shù)小時，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，取出泡沫鎳，用去離子水和乙醇沖洗數(shù)次，最后進(jìn)行真空干燥，獲得帶有氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體的泡沫鎳；

8、步驟三、對帶有氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體的泡沫鎳進(jìn)行熱處理

9、將步驟二所得帶有氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體的泡沫鎳放入管式爐中，在惰性氣氛保護(hù)下，以2~5℃/min的升溫速率加熱到350~450℃進(jìn)行熱處理，保溫1~5h，冷卻后取出，得到熱處理產(chǎn)物；通過熱處理能夠提高氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體的韌性；

10、步驟四、制備雙功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料

11、在管式爐上風(fēng)段放入磷源，將步驟三所得熱處理產(chǎn)物放在距磷源1~5?cm處，在惰性氣氛中以2~5?℃/min的升溫速率加熱到350~450?℃進(jìn)行cvd磷源沉積，保溫1~5?h，冷卻后取出，即在泡沫鎳表面原位生長出陣列排布的呈納米棒狀結(jié)構(gòu)的磷化鐵/磷化鈷鎳；其中，磷源與熱處理產(chǎn)物上原位生長的活性物質(zhì)（指熱處理后的氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體）的摩爾比例為(5~2):1。

12、進(jìn)一步地，步驟一中，將泡沫鎳依次在2~3mol的鹽酸溶液、丙酮溶液和去離子水溶液中超聲數(shù)分鐘，以去除泡沫鎳的雜質(zhì)，并在低溫真空環(huán)境中進(jìn)行干燥。

13、進(jìn)一步地，鈷源為硝酸鈷、氯化鈷中的至少一種；鐵源為硝酸鐵、氯化鐵中的至少一種。

14、進(jìn)一步地，步驟二中，真空干燥溫度為60-90℃。

15、進(jìn)一步地，步驟三或步驟四中，惰性氣氛為氬氣、氮?dú)?、氫氬混合氣中的任意一種。

16、進(jìn)一步地，磷源為亞次磷酸鈉、紅磷中的任意一種。

17、有益效果：

18、（1）、本發(fā)明中的電催化材料，在水浴反應(yīng)過程中，首先會在泡沫鎳/鎳網(wǎng)表面形成眾多細(xì)小的晶粒，由于溫度場能量較低，細(xì)小的晶粒能量不足，并不會相互結(jié)合變成粗晶，因此會繼續(xù)沿著垂直與表面方向生長，進(jìn)而得到棒狀結(jié)構(gòu)。

19、（2）、本發(fā)明能夠在低溫常壓水熱下制備出氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體，適合工業(yè)生產(chǎn)。

20、（3）、納米棒狀結(jié)構(gòu)提供了更大的比表面積，有利于氣液交換，加快反應(yīng)的進(jìn)行。

21、（4）、異質(zhì)結(jié)構(gòu)有利于電子的快速轉(zhuǎn)移，為活性位點(diǎn)周圍提供更有利于her/oer反應(yīng)的電子云密度。

22、綜上，本發(fā)明通過水浴、熱處理和cvd沉積工藝的制備方法，成功制備出了納米棒狀自支撐催化劑，具有可控的納米棒狀形貌，所獲得的電極材料具有優(yōu)異的親水疏氣性能，表現(xiàn)出快速的氣液交換能力和優(yōu)異的雙功能電解水性能，可同時用在電解池的陰陽極，是一種潛在的電催化全解水催化劑。

技術(shù)特征：

1.一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其特征在于，以泡沫鎳為基體，在其表面原位生長有陣列排布的呈納米棒狀結(jié)構(gòu)的磷化鐵/磷化鈷鎳；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其特征在于，步驟一中，將泡沫鎳依次在2~3mol的鹽酸溶液、丙酮溶液和去離子水溶液中超聲數(shù)分鐘，以去除泡沫鎳的雜質(zhì)，并在低溫真空環(huán)境中進(jìn)行干燥。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其特征在于，鈷源為硝酸鈷、氯化鈷中的至少一種；鐵源為硝酸鐵、氯化鐵中的至少一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其特征在于，步驟二中，真空干燥溫度為60-90℃。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其特征在于，步驟三或步驟四中，惰性氣氛為氬氣、氮?dú)?、氫氬混合氣中的任意一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其特征在于，磷源為亞次磷酸鈉、紅磷中的任意一種。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種工業(yè)生產(chǎn)超疏氣性磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料的方法，其生產(chǎn)方法為：清洗泡沫鎳，將鈷源、鐵源、氟化銨和尿素按照(3?5):1:6:30的摩爾比加入去離子水中，攪拌，得到溶液A，將清洗后的泡沫鎳置于溶液A中，于60?90℃的水浴溫度下水浴數(shù)小時，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，取出泡沫鎳，用去離子水和乙醇沖洗數(shù)次，獲得帶有氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體的泡沫鎳，之后對真空干燥后的帶有氫氧化鐵/氫氧化鈷鎳前驅(qū)體的泡沫鎳進(jìn)行熱處理，然后利用CVD磷源沉積法制備雙功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料。通過本發(fā)明的方法得到一種能夠同時作為HER和OER反應(yīng)催化劑的磷化鐵/磷化鈷鎳電催化材料，具有工藝簡單、適合工業(yè)生產(chǎn)、穩(wěn)定性好、超疏氣性等優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：任永鵬,潘昆明,趙帥凱,李亞如,金鑫,李浩杰,王長記,劉夢杰,曹軍偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：龍門實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6